Построение реалистичных трехмерных изображений в стандарте OpenGL

Курсовая работа

на тему:

«Построение реалистичных трёхмерных изображений в стандарте OpenGL»

Введение

Компьютерная графика в настоящее время уже вполне сформировалась как наука. Существует аппаратное и программное обеспечение для получения разнообразных изображений – от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов. Компьютерная графика используется практически во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности восприятия и передачи информации. Знание её основ в наше время необходимо любому учёному или инженеру. Она властно вторгается в бизнес, медицину, рекламу, индустрию развлечений и многие другие области.

В компьютерной графике имеется уникальная возможность получить в собственное распоряжение очень точного и исполнительного помощника, который может создать любые рисованные картинки, – нужно только проинструктировать его, как это сделать.

Для программирования графики можно использовать одну из стандартных библиотек, тем более, что их достаточно много. Графический стандарт OpenGL, разработан и утверждён в 1992 году девятью ведущими фирмами, среди которых: DigitalEquipmentCorporation, Evans & Sutherland, Hewlett-PackardCo., IBMCorp., IntelCorp., IntergraphCorp., SiliconGraphicsInc., SunMicrosystemsInc. и конечно же MicrosoftCorp.

В основу стандарта была положена библиотека IRISGL, разработанная SiliconGraphics. Это достаточно простая в изучении и использовании графическая система, обладающая при этом поразительно широкими возможностями: стабильность, надёжность, переносимость, простота использования.

Построение реалистических изображений

Построение реалистических изображений включает в себя как физические, так и психологические процессы. Свет, после взаимодействия с окружающей средой попадает в глаз, где вырабатываются электроимпульсы, воспринимаемые мозгом. Восприятие – это приобретаемое свойство. Из опытов известно, что чувствительность глаза к яркости света изменяется по логарифмическому закону. Причем глаз приспосабливается к средней яркости обозреваемой сцены, поэтому область с постоянной яркостью на темном фоне кажется ярче или светлее, чем на светлом. Это явление называется одновременным контрастом(рис. 1).

Рис. 1.Эффект одновременного контраста

Яркость центрального квадрата на обоих рисунках равна 0.5, а охватывающего – 0.8 на левом и 0.2 на правом рисунке. Похожее на одновременный контраст явление существует и для цветов.

Еще одним свойством глаза, имеющим значение для компьютерной графики, является то, что границы областей постоянной интенсивности кажутся более яркими, в результате чего такие области воспринимаются как имеющие переменную интенсивность. Это явление называется эффектом полос Махаособенно хорошо заметно на полутоновых поверхностях, заданных многоугольниками. Увеличивая количество граней многоугольников, его можно ослабить, но полностью устранить нельзя (рис. 2). Это только несколько вопросов, возникающих при создании реалистических изображений. Мы же займемся вопросами закрашивания видимых поверхностей. Внешний вид поверхности зависит от вида источника света, которым освещается объект, от свойств поверхности (цвет, текстура, отражательная способность), а также от положения и ориентации поверхности относительно источника света и других поверхностей. Источник света может представлять собой точечный источник, подобный солнцу или лампе накаливания, или же распределенный источник, аналогичный группе ламп дневного света. На практике во многих случаях присутствует также естественный свет, падающий с самых разных направлений.

Рис. 2.Эффект полос Маха

Наиболее простым для моделирования источником является рассеянный естественный свет, т. к. он обеспечивает постоянное освещение всех поверхностей независимо от их ориентации. К сожалению, такой свет дает весьма нечеткие изображения, поскольку достаточно редки ситуации, когда освещение обеспечивается только естественным светом. При естественном освещении две смежные стороны куба должны быть закрашены одинаково, а их общее ребро должно быть неразличимо.

Более сложным (с точки зрения моделирования), но зато более реальным, является точечный источник, при использовании которого освещенность поверхности зависит от ее ориентации: если лучи направлены перпендикулярно к поверхности – она освещена ярко. Чем меньше угол падения лучей, тем меньше освещенность. Такое изменение освещенности позволяет эффективно распознавать трехмерную структуру объекта.

Повышение реалистичности изображения может быть достигнуто путем воспроизведения теней, которые отбрасывает объект, освещенный точечным источником света. Тени не только повышают реалистичность изображения, но и являются дополнительным средством для распознавания глубины.

Еще одним способом повышения реалистичности изображения является воспроизведение свойств поверхности. Одни поверхности являются матовыми и рассеивают отраженный свет по разным направлениям; другие – обладают блеском и отражают свет только в некоторых направлениях. Поверхности могут быть полупрозрачными, т.е. пропускать часть света и одновременно отражать другую часть.

Другим свойством поверхности является их текстура. Очень редко поверхности бывают совершенно гладкими, однако именно такими их моделируют с помощью многоугольников и параметрических поверхностей. Аналогична поверхность редко бывает окр